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"地球深部探测技术与实验研究”专项成果扫描
时间:2016-07-04  作者:吴昊  来源:中国矿业报              【复制地址】【打印】【关闭】

  在不久前召开的全国科技创新大会上,习近平总书记亲自吹响了“向地球深部进军”的号角,把深地开拓科技问题提升到战略高度。他明确指出:“在理论上,地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下1万米,目前世界先进水平勘探开采深度已达2500米至4000米,而我国大多小于500米,向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。

  在号令余声还响之际,“地球深部探测技术与实验研究”专项(英文简写:SinoProbe)于6月29日通过专家评审鉴定,这标志着进军地球深部的技术准备和队伍集结已经就绪。

  该专项是为贯彻落实《国务院关于加强地质工作的决定》“实施地壳探测工程,提高地球认知、资源勘查和灾害预警水平”的部署,2008年由财政部和科技部支持,国土资源部牵头,组织教育部、中国科学院、中国地震局等多个部门、企业和地方队伍联合实施的,共有12位院士和1600余名科学家和工程师参加实验研究、近万名专业队伍参与野外施工和数据采集。专项由中国地质科学院负责实施,于2015年结束。

  作为“地壳探测工程”的培育性计划,专项的目标就是为“地壳探测工程”做好关键技术准备,研制深部探测相关的仪器装备,解决关键探测技术难点与核心技术集成,形成对固体地球层圈立体探测技术体系;在不同自然景观、复杂矿集区、含油气盆地深层、重大地质灾害区等关键地带进行实验、示范,形成若干深部探测实验基地;解决急迫的重大地质科学难题热点,部署实验任务;实现深部数据融合与共享,建立深部数据管理系统;积聚、培养优秀人才,形成技术体系的研究团队。

  专项从设立之初就备受关注。中国科学院、中国工程院两院院士将“深部探测开启地学新时代”评为了“2011年度中国十大科技进展”;中央电视台、新华社等多家媒体都对深部探测专项做过不同程度的报道,专项全面开展的消息还上过新闻联播的头条。

  深部、深地科研工作渐为人知。由此,“深地梦”从地质人的梦想逐渐融入到科技强国梦中,更是汇聚到了中华民族伟大复兴的“中国梦”中。

  本次成果鉴定会上,由43位院士专家组成的委员会对专项的成果给予高度的评价和认可。一位长期从事地球深地研究的院士给予专项这样的评价:深部探测技术与实验研究专项在我国地球科学发展历史上具有特殊的、不可替代作用;专项全面达到了预期目标,超额完成实验任务,为我国全面实施向地球深部进军战略做好了技术准备,描绘了科学蓝图。

  如此之高的评价,源于深部探测技术与实验研究专项团队8年来不断地探索攻关,在技术方法、钻探设备等方面取得的一系列瞩目的成果。

  自主研发 关键设备决不受制于人

  要说进军地球深部,最难的是什么?许多人第一个想到的便会是设备。在专项设立之初,最紧迫的设备攻关任务就是一部可入地万米的深部钻机。当时,全世界只有俄罗斯、德国拥有万米钻探技术,因此一道选择题摆在了科研人员面前:在关键技术设备上是要从无到有地自主研发还是受制于人?

  在紧要关口,我国的钻探专家们站了出来。2013年10月15日,拥有自主知识产权的“地壳一号”万米大陆科学钻探钻机正式从四川启运,前往执行“松辽盆地白垩纪大陆科学钻探”、“深部大陆科学钻探装备研制”等多项科学研究任务,这也标志着中国成为了世界上第三个掌握地下万米钻探技术的国家。中央电视台等多个国家级新闻媒体对“地壳一号”万米科学钻机出厂启运仪式进行了大篇幅的报道。

  “地壳一号”万米大陆科学钻探钻机组装后约20层楼高,整个组件占地1万多平方米,钻进能力可达到1万米。科研团队自主研发、改进了该钻的高转速全液压顶驱系统、高精度自动送钻系统和起下钻自动排管系统等一系列关键技术,并采用国内领先的数控变频电动钻机技术(DBS),使其钻探能力达到世界先进水平。目前,“地壳一号”日钻进速度最快可达到265米,最快机械钻速可达到每小时28.8米。

  除了自主研发的万米钻机,专项在大功率电磁探测系统、固定翼无人机航磁探测系统、无缆自定位地震探测系统的研发上都取得显著进展,并且初步建成移动平台综合数据处理与集成系统。

  因地制宜 构建深部探测技术体系

  众所周知,中国是一个幅员辽阔、区域差异巨大的国家,地质情况更是复杂多样、起伏交错,既有平均海拔4000米以上的“世界屋脊”,又有沟壑交错的黄土高原。因此,单一的探测方法难以满足地质科研需求。

  经过实践,深部专项项目组发展了地震深反射、折射和天然地震层析成像、大地电磁探测等多尺度、多层次的成套探测技术和观测方法,特别是共震源深反射、宽角反射与折射地震同时接收的联合探测、“十”字型标准点阵列式大陆电磁参数网观测与反演技术,形成了岩石圈(大于200千米)、壳/幔边界(40千米)、上地壳(10千米~20千米)和浅层(5千米)等不同深度、不同物性参数(电性、磁力、密度、波速等)、不同分辨率的数据采集、信号提取与成像能力,形成了适应我国深部特征的探测技术体系,并且整体达到国际同类水准。

  此外,深部专项还突破了很多技术制约,例如:实现了全球、区域、局部尺度的三维地球动力学数值模拟的跨越,对我国大陆和邻区岩石圈动力学过程的时空特征与控制机理进行大规模模拟,加深对我国大陆岩石圈演化过程的定量化认知水平;基于深穿透地球化学的500米以深纳米微粒探测技术,加快了隐伏矿发现步伐等。

  理论创新 我国跻身世界深探大国

  6160千米、23905.44米、1030篇……一个个数字讲述了8年来专项走过的大江南北,钻机钻向的地球深度。8年中,专项完成了青藏高原、华南、华北和东北等多条超长深地震反射,共计长度达到了6160千米;8年中,专项累计完成科学钻探进尺23905.44米,直接获取地球深部物质样品,同时获得地下岩石和流体各种物理、化学和生物参数,发现了一系列深部地幔物质,并得到了高温高压实验岩石学的证实;8年中,据初步统计,项目组出版专著8部,共在各类国际著名地学刊物上发表论文1030篇,其中SCI论文452篇(含国际SCI论文240篇),EI论文68篇。

  不仅如此,专项还建立了3个覆盖地方乃至全国的网格,即首次建立了覆盖中国大陆4°×4°大地电磁标准网和覆盖华北和青藏的1°×1°标准网以及我国地球化学国际基准网,这些网格使专项组取得全国岩石圈物性结构的新认识并首次将元素周期表上所有化学元素含量和分布绘制在地球上,制作了世界上第一个“化学地球”大数据平台。

  随着专项的不断深入,理论创新如井喷式不断涌现,例如:创新了青藏高原深部过程与动力学研究,挑战流行的“下地壳隧道流”的高原扩展模式;建立了中亚型造山深部过程新模式;在扬子克拉通内部发现古老俯冲造山带;揭示了松辽盆地之下古太平洋与鄂霍次克洋板块对冲的岩石圈结构;发现了侏罗纪古太平洋板块作用记录;更新了东亚多向汇聚构造模式……最令人瞩目的是,专项揭示了我国大陆地壳、岩石圈复杂的地质结构,提出了“多层结构解耦”的垂向特征,成为继“多个块体拼合”、“多期旋回变形”之后的第三个我国大地构造基本特征。

  正是这样的一批重大理论突破,使我国的深地研究逐渐跻身世界前列。

  深挖线索 为找矿突破提供有力支撑

  专项与之前的地学研究最大的不同之处就在于钻探的深度。随着钻井的不断深入,许多新层系地层的找矿线索也不断出现。例如:在大庆盆地之下发现了残存的古沉积盆地,为“大庆之下找大庆”提供了战略依据;在四川盆地深部发现完整的新元古代裂陷盆地,指示了万米深度油气勘查新领域;发现我国北方巨型稀土元素聚集区具有超大型矿床潜力;摸清庐枞矿集区的地层构造,基本实现“透明化”,发现深部正长岩中上百米厚铀元素富集带;首次确认蛇绿岩型铬铁矿的高压成因和蛇绿岩型金刚石,为雅鲁藏布江谷地及类似构造环境下铬铁矿找矿突破提供战略方向;在南岭于都-赣县矿集区发现一批重磁电异常,证实“五层楼+地下室”找矿模式,发现深部厚大矿体与新类型矿床重要找矿线索……一个个重大的找矿线索说明深地研究带给中国的不仅仅是科研突破,也将为保障资源安全、实现经济社会效益做出巨大的贡献。

  监测动态 提高自然灾害预警能力

  解决重大地质灾害的监测预警问题,这也是深地研究的初衷之一。汶川地震是国人心中永远的伤痕,但也激发了人们探索地球深部奥秘的决心和热情,同时也为地球深部科研活动提供了宝贵的地质资料。要把握地球灾害内在规律,就必须走向深部,把握地球内力的脉动。

  在专项启动之后,研究人员先后在青藏高原东南缘(包括汶川、芦山)建立深孔地应力监测网,并初步建成了北京应力应变监测对比综合实验场,使得科研人员首次监测到了汶川地震后区域应力场的调整,反映了现今地应力作用强度沿龙门山断裂呈现的分段和分区特征,提前预警了芦山地震的发生,并且也监测到日本福岛大地震前的应力异常。

  提前预警地震,这也许将不再仅仅是一个幻想,虽然还有很长的路要走,但是只要地质科研工作者放开思路、大胆设想,把握地球运动的内部规律,这一切就有可能会很快实现。

  开放合作 国际知名度显著提升

  2013年12月9日,我国深部探测专项应邀参加国际上规模最大、影响力最高的地球科学论坛之一的美国地球物理年会(AGU)。这也是专项连续第五年参加AGU,但是这一次又和以往有些不同:在这一次的AGU上,深部探测技术与实验研究专项牵头主持了“岩石圈结构深部探测”主题,并在会展中心设立了专项的展台。不仅如此,专项还被邀请主持召开了新闻发布会,这也是我国的科研项目在AGU的第一个新闻发布会,这在国内引起了不小的轰动。取得这样的成绩与专项多年来取得了重大科研进展是密不可分的,正是我国科研人员攻坚克难的决心,让中国地质人在国际舞台上争取到了自己的话语权。会上,来自Physics Today、Eos等国际知名地学期刊媒体的记者纷纷提问,对专项进展、文献共享的方面提出了问题,会后的持续报道也使得专项受到了美国新闻和科技媒体的关注。中国的深地研究第一次在世界舞台上发出了最强音!

  专项在世界科研舞台上的表现一直有目共睹。2011年1月,深部探测专项联合美国地震联合会、国际大陆科学钻探计划、国际岩石圈计划等主办了“国际岩石圈深部探测研讨会”,几乎世界所有的深部探测计划首席科学家悉数到会并作报告,在国际上影响强烈;2012年8月,在澳大利亚布里斯班召开的第34届国际地质大会上,专项组织了2个专场报告会和一个100平方米的展台,向全世界展示我国深部探测新进展,吸引了包括中国、澳大利亚、俄罗斯、印度等多个国家的矿业能源资源部长,以及国际地科联主席、秘书长和数百位各国地质学家前来参观,且受到了广泛好评;2013年7月5日,《Science》杂志发表了题为“中国入地精细探测赢得高度评价”专稿(China’s Exquistite Look at Earth’s Rocky Husk Wins Raves)高度评价了我国的深部探测专项……一步一个脚印,专项的成果逐步赢得了世界科学界的认可和尊重!

  深地研究任重而道远,专项的成功只是阶段性的胜利。地球科学家们将继续面向国家能源资源和环境保护的重大需求,开拓利用好国土资源深部空间,实现地质调查由浅表走向深部,提升资源保障程度。据了解,下一步我国将启动实施深地颠覆性先导技术研究计划与地壳探测工程,建立国家深地实验室,发起“向地球深部进军”的总攻。



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